荷電粒子飛跡検出器ドリフトチェンバー の構造と性能テスト

荷電粒子飛跡検出器ドリフトチェンバー
の構造と性能テスト
Shibata-lab.
Shou Miyasaka
- Contents 1.
2.
3.
4.
2011/10/22
MWPC(Multi Wire Proportional Chamber) および
DC(Drift Chamber) とは何か
E906 実験の物理と spectrometer
Station 3 Drift Chamber の性能テスト
まとめ
1
1. MWPC(Multi Wire Proportional Chamber)
およびDC(Drift Chamber) とは何か
• 私は2011年10月に博士課程に進学したので、主として修士課程での研究内容を発
表する。
• 素粒子物理学や原子核物理学の実験では、ビーム同士や、ビームとターゲットの
衝突により生成された粒子の軌跡を検出する検出器が良く使わる。
• MWPC (Multi Wire Proportional Chamber) は、その軌跡検出器の一つである。
• MWPC は1968年に Charpak によって発明された。
• Charpak はこの功績により1992年にノーベル物理学賞を受賞した。
MWPC
初期電子
2 mm
2011/10/23
<電子雪崩>
ワイヤーの付近では電場が強いため、電子が急激に加
速される。その電子は他のガス原子を電離させて、それ
を繰り返し、電子の数が急激に増える。
2
- MWPC の特徴• 印加電圧によって、陽極ワイヤーに集めら
れる電子の数が変わる。
• MWPC は比例計数管領域で使う。
• 陽極ワイヤーに集められる電子の数
は初期電子数に比例する。
• 増幅率： M = 103 ~ 106 , M = KeCV
• 荷電粒子により生成された電子は、通
過した場所から最も近いワイヤーに集
められる。
• 信号を読みだしたワイヤーの位置から、
荷電粒子がどこを通ったかが分かる。
• MWPCを多層に重ねることにより、３次
元の軌跡を求めることが出来る。
• ワイヤー間隔が狭いため、大型のもの
を製作するのは大変。
2011/10/23
荷電粒子
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- DC (Drift Chamber) の構造と原理 カソードワイヤー（～－２ｋV）
荷電粒子
陽極センスワイヤー（GND)
初期電子
フィールドワイヤー（～ －２ｋV ）
DC のセルの概念図
２cm
・DC は、大面積を（MWPC に比べて）少ない
ワイヤー数で精度良く（～数百μm）検出す
る目的で開発された。
・ワイヤーの電圧のかけ方と適切なガス
の選択でドリフト領域の電子のドリフト
速度を一定にする。
・DC は、数百個のセルで構成される。
・ドリフト速度w が一定なので、 t₀ とt₁ を
測定することにより、荷電粒子の入射
位置x を決定できる。
・セルは、
－ 中心：陽極センスワイヤー
－ 右端と左端： フィールドワイヤー
－ 上下： 陰極ワイヤー
で構成されている。
・検出の基本原理はMWPCと同じ。
t1
x   wdt  w(t1  t0 )
t0
t₀： 荷電粒子の入射時刻
t₁： 検出時刻
4
2. E906 実験の物理と spectrometer
E906 physics motivation
• 陽子構造を探る
• Drell-Yan 過程(𝑞𝑞 → 𝛾 ∗ → 𝜇+ 𝜇− )を利用する
• ミューオンを観測する
E906 spectrometer
• Targets
– 水素、重水素、原子核 targets
• First dipole magnet
• Second dipole magnet
• 4 tracking stations
– Hodoscopes
– Drift chamber or drift tubes
• 私たちは３番目の Station 用に
Drift Chamber を製作した
2011/10/22
𝝁−
25 m
5
- Station 3 Drift Chamber • 新しい Drift chamber の性能
– 検出面積 : 1.6 m (vertical) x 2.2 m
(horizontal)
o
– 6 Active layers : U, U’ (+14 ), X, X’
o
o
(+0 ) , V, V’ (-14 )
– 位置 resolution : < 400 μm per
plane
– Rate 耐性 : ~300 kHz per wire at
maximum.
• Gas 選択
– Argon : CO2 (80:20)
V V’
X’
U’ X
U
2011/10/22
Station 3 drift chamber
1.7 m
6
- Station 3 drift chamber and the test drift chamber Station 3 drift chamber @Fermilab
1.7 m
2011/10/22
The test drift chamber @Tokyo Tech
1.7 m
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3. Station 3 Drift Chamber の性能テスト
Drift chamber のデザイン
Drift chamber の製作
読み出し回路の製作
Garfield プログラムに
よるシミュレーション
インストール（配線等）
(i) Raw signal の観測
(ii) 電子の増幅率の計測
(iii) Drift time の分布の計測
(iv) 検出効率の計測
空間-時間関係式(x-t curve) と
位置 resolution の測定
2011/10/22
Garfield プログラムは
- セル中の電場分布
- ガスの性質
- イオン化過程
- 信号生成過程
等をシミュレートします。
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- (i) Raw signal の観測 •
•
Setup
Raw signal とは、陽極ワイヤー
から直接得られる信号。
宇宙線ミューオンを測定
– E906実験で測定するミューオンと
落とすエネルギーの量がほぼ同
じ。
Setup
< Top view >
< Side view >
Scintillator
15 cm
Drift chamber
• 綺麗な Raw signal が観測された。
• ノイズは抑制された。
< Front view >
1 cm
40 cm
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8 cm
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- (ii) 電子の増幅率の計測 • 電子の増幅率は、初期電子の数と、
信号として読み出された電子の数の
比
• 読み出された電子の数はRaw signal
の面積を求めることにより算出される
• 初期電子数はガスの種類と荷電粒
子が落とすエネルギーの量から算出
される
• 増幅率：M = KeCV
• 測定の結果は上の式に従う
• 測定の結果はシミュレーションの結
果とオーダーが同じ
初期電子
読み出さ
れた電子
400 ns
30 mV
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- (iii) Drift time の分布の計測、(iv) 検出効率の計測 -
Drift time の分布
検出効率
350 ns
• トリガーと、実際に信号を得た時の時
• トリガーに対して信号を得る確率（１レイ
間差を計測。
ヤー）
• 最大のドリフト時間が分かる。
• 電圧を上げるに連れて、検出効率も上がる
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4. まとめ
• MWPC は Charpak によって発明された、荷電粒子軌跡検出
器である。
• Drift Chamber は、大面積を（MWPC に比べて）少ないワイ
ヤー数で精度良く（～数百μm）検出する目的で開発された。
• E906 実験は、Drell-Yan 過程 (𝑞𝑞 → 𝛾 ∗ → 𝜇+ 𝜇− )を用いて、陽
子構造を探る。
• E906の日本グループはミューオンの飛跡を検出するための
大型のDrift Chamber を製作した。
• 私はこの Drift Chamber の基本的な性能テストを行った。
– (i)Raw signal の観測、(ii)電子の増幅率の計測、(iii)Drift time の分布
の計測、(iv)検出効率の計測
• 私たちは現在、空間-時間関係式(x-t curve) と位置 resolution
の測定を行なっている。
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Back-up slides
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Flavor symmetry breaking in sea quark
• A proton consists of valence quarks,
gluons, and sea quarks.
• Gluons can split into quark-anti quark
pairs.
• Bjorken 𝑥 =
𝑢
𝑑
𝑢
𝑑
𝑝𝑝𝑎𝑟𝑡𝑜𝑛
• Naïve assumption
𝑑 𝑥 = 𝑢(𝑥) in the proton
• NMC (Muon deep inelastic
scattering ,1991)
1
[𝑑
0
𝑥 − 𝑢(𝑥)] 𝑑𝑥 > 0
• NA51 (Drell-Yan process )
𝑑 𝑥 > 𝑢 𝑥 at 𝑥 = 0.18
𝑃𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛
• E866/NuSea (Drell-Yan process)
• The distribution of the parton in the
proton : 𝑞(𝑥)
• We focus on the anti-quarks
distribution in the sea quarks.
𝑑 𝑥
𝑢 𝑥 for 0.015 ≤ 𝑥 ≤ 0.35
𝑑 (𝑥) 𝑢(𝑥)
No theoretical models
can reproduce this
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𝑥
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SeaQuest experiment
• SeaQuest experiment will extend the x region of
Drell-Yan measurement .
• 𝑑 𝑥 𝑢 𝑥 for 0.1 ≤ 𝑥 ≤ 0.45
• SeaQuest will use a 120 GeV proton beam.
• Cross section for Drell-Yan process
Expected errors are shown
on the CTEQ6 curve
DY measured
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Mass of the virtual photon
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 セル構造：2 cm 四方の四角形
構造。
 フィードスルー方式
Guard Wire
ミューオン
（ほぼ垂直）
(φ80μm )
Sense Wire
(φ30μm )
Field Wire
(φ80μm )
Cathode Wire
(φ80μm )
2 cm
2 cm
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(ii) Measurements of amplification of electrons
• We call the amplification of electrons
“Gas gain”.
• Gas Gain 𝑀 = 𝑁𝑡 𝑁𝑝

𝑁𝑝 = (Number of primary electrons)
=



𝑑𝐸
𝑑𝑥
⋅𝑥⋅
1
𝑊
= 179 electrons
 𝑒 : Elementary charge
 R : Readout resistance
 𝑉𝑑𝑡 : Area of raw signal
𝑑𝐸
 𝑑𝑥 : Energy deposit of muon
 𝑥 : Path length of muon
 𝑊 : Energy to create one electron
𝑁𝑡 = (Number of total electrons)
=
1
𝑒
=
1
⋅
1.6×10−19 [𝐶]⋅500[Ω]
𝐼𝑑𝑡 =
1
𝑒⋅𝑅
𝑉𝑑𝑡
𝑉𝑑𝑡
P10 (Argon : Methane (90:10)) gas was
filled in the drift chamber.
Cosmic-ray muons
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400 ns
30 mV
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< Systematic errors>
R
: ±5%
 𝑉𝑑𝑡 : ±15% ＋5%
𝑑𝐸
 𝑑𝑥
: ＋15%
𝑥
: ±10%
𝑊
: ±25%
 Density of gas : ±5%
 Diameter of sense wire (±10%) : ±80%
Total : −𝟖𝟔%, +𝟖𝟖%
• The gas gain was 104 ~106
• The gas gain increases when the HV value
increases.
• The measured results and the simulated
results agree in order of magnitude.
• The measured value is about twice the
simulated value.
• The measured result shows the better gas
gain in our measurement.
• The measured and the simulated results
are consistent within errors
2011/10/22
Note: The effect of the diameter of sense
wires on the gas gain is large.
<Estimated change in gas gain>
Diameter of sense wire : 30 μm
29.4 μm (−2%): 110%
28.5 μm (−5%): 130%
27.0 μm (−10%): 180%
26.5 μm (−13.3%): 200%
25.0 μm (−16.6%): 290%
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(iii) Measurements of distribution of drift time
• ASDQ card, Level Shifter
board : Readout electronics of
SeaQuest
Measured result
350 ns
•
•
•
•
•
Simulated result
250 ns
There is a peak at the short drift time.
The forms of the distributions are similar.
The width of the distribution is about 350 ns. It is wider than the simulated result.
• The calibration of TDC was checked and is correct.
• Incident angle of muons does not change the simulated result.
• I will study further.
Expected muon rate in SeaQuest : 300 kHz = 1 signal / 3.3 μs
This drift chamber can tolerate the muon rate (300 kHz) in the SeaQuest experiment.
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(iv) Measurements of detection efficiency
• Single layer efficiency
• We defined the efficiency as a probability
to obtain a hit in the time window of TDC
triggered by a cosmic-ray muon. The
accidental coincidence is 0.07%.
• Time window of TDC : 520 ns
• The efficiency increases when the HV
value increases.
• The single layer efficiency reached 95% at
HV= −2.75 kV.
Detection efficiency of the 6 layers
The reason for the efficiency not reaching
100% at high voltage region
 Trigger has about 1% of accidental
coincidence
 About 1% of signals are cut out due to
the time window of TDC
 Muon traversing around the edge of
the cell.
• Threshold for the signals was
maximum . It can be lowered.
• I continue to improve the efficiency.
20
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Drell-Yan process and
how to measure the ratio of 𝑑 and 𝑢
beam
• Fixed target experiment
•
•
𝜎𝑝𝑑
• For 𝑑 𝑥1 ≪ 4𝑢 𝑥1 , measured 2𝜎
𝑝𝑝
2011/10/24
target
Valence quarks in beam at high-x.
Anti sea quarks in target at low -x.
𝑑 𝑥2
𝑥2
is directly sensitive to 𝑢
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電子の拡散
陽極に向かいドリフトしている電子は拡散している。
位置分解能を上げるために電子の拡散を抑える必要がある。
電子の広がり σ は以下のように表される。
電子群
σ 2 Dt 
2 Dx
2 Dx
2x


w
E
eE
D：拡散係数 [cm^2/s]
w: ドリフト速度
μ：易動度 [cm^2/Vs]
x： ドリフト距離
ε：特性エネルギー [eV]
E: 電場
衝突断面積を最小にする（ラムザウア効果）
ときの電子の持つエネルギー
ドリフトしている
電子群の拡散の様子
上式よりわかるように、σ はε に依存している。これよりε の小さいガス
を選ぶことがDC の位置分解能を上げるために重要である。
ex) Ar – isobutane (75% - 25%)
・ ε ～0.2eV at 1kV/cm
・電場にかかわらずσ ～200μmをとる。
Ar:CO2
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Electric field of MWPC
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Station 3+
Drift Chamber
Station 3+
Drift Chamber
< Top view >
Magnet DC1
Target
Iron
DC3 wall St.4
Magnet DC2
φ
L
𝑥
𝑦
𝑧
R
𝑝 = 𝑒𝐵𝑅, 𝜙 = 𝐿 𝑅
< Side view >
Magnet DC1
Target
Iron
DC3 wall St.4
Magnet DC2
θ
𝑦
×
𝑥
𝑧
Single hit rate
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Monte Carlo simulation
X (beam)
Feynman X
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X (target)
Mass of the virtual photon
30
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31
CTEQ
𝑥
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